DE2845662C2

DE2845662C2 - Vorrichtung zur Messung der Masse eines strömenden Mediums

Info

Publication number: DE2845662C2
Application number: DE2845662A
Authority: DE
Inventors: Udo Ing.(grad.) 7140 Ludwigsburg Hafner; Werner Ing.(grad.) 7143 Vaihingen Kammerer; Heinrich Dipl.-Phys. Dr. 7250 Leonberg Knapp; Peter Ing.(Grad.) 7000 Stuttgart Romann; Rudolf Dipl.-Ing. Dr. 7141 Benningen Sauer; Thomas Ing.(grad.) 7145 Markgröningen Wilfert
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 1978-10-20
Filing date: 1978-10-20
Publication date: 1987-03-19
Also published as: JPS5557111A; US4299124A; JPS6260650B2; FR2439387B1; FR2439387A1; JPH0247685B2; DE2845662A1; GB2039051A; JPS6355419A; GB2039051B

Description

Die Erfindung geht aus von einer Vorrichtung zur Messung der Masse eines strömenden Mediums nach der Gattung des Hauptanspruchs. Es ist schon eine Vorrichtung zur Messung der Masse eines strömenden Mediums bekannt (US-PS 38 24 966), bei der als temperaturabhängiger Widerstand ein Hitzdraht verwendet wird, der in einem Sondenring über mehrere Einspannstellen straff ausgespannt ist. Aufgrund von wechselnden Temperaturen, insbesondere bei der Verwendung im Kraftfahrzeug besteht durch die besondere Betriebsweise des Hitzdrahtes die Gefahr, daß es sehr schnell zu Drahtbrüchen kommt. Weiterhin ergibt sich der Nachteil, daß eine unregelmäßige Wärmeabfuhr über die Einspannstellen zu einer unerwünschten Beeinträchtigung der Meßgenauigkeit führt.
Bekannt ist auch durch die DE-AS 10 93 569, einen Hitzdaht jeweils nur lose unter Richtungsänderung über die zwischen den Enden angeordneten Haken in einem Gehäuse zu führen. Weiterhin ist durch die DE-PS 8 89 845 bekannt, zusammengewickelte Drähte mit einer Lötung zu versehen, und die Drähte durch Lagerung der Lötung axial zu verspannen.
Es ist auch bereits vorgeschlagen worden (nicht vorveröffentlichte DE-OS 28 28 102), bei einer Vorrichtung den Hitzdraht nur an den den Drahtenden zugeordneten Stützpunkten zu befestigen und über die dazwischenliegenden Stützpunkte den Hitzdraht schlaufenförmig zu führen und die sich kreuzenden Drahtabschnitte der Schlaufe elektrisch leitend miteinander zu verbinden.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung der eingangs genannten Art zu schaffen, bei der durch die Führung und Befestigung des Hitzdrahtes im Sondenring eine genau definierte Hitzdrahtlänge erzielt wird, so daß durch die Betriebsweise und Temperaturänderungen des Hitzdrahtes bedingte Meßfehler bzw. Meßungenauigkeiten vermieden werden.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die kennzeichnenden Merkmale des Hauptanspruches gelöst. Vorteilhaft ist hierdurch, daß sich eine genau definierte Länge des Hitzdrahtes zwischen den Verbindungspunkten der Schlaufen ergibt, was insbesondere bei einer Verwendung im Kraftfahrzeug wichtig für die Meßgenauigkeit ist. Die gesamte aktive Länge des Hitzdrahtes befindet sich außerdem außerhalb des wandnahen Bereiches des Sondenringes, so daß Meßungenauigkeiten aufgrund der schwer zu erfassenden Strömungsverhältnisse im wandnahen Bereich vermieden werden.
Durch die in den Unteransprüchen aufgeführten Maßnahmen ergeben sich vorteilhafte Weiterbildungen und Verbesserungen der im Hauptanspruch angegebenen Vorrichtung.
Besonders vorteilhaft ist die Befestigung eines niederohmigen Stromführungsdrahtes an jedem der Verbindungspunkte der Schlaufen an den Hitzdrahtenden, wobei das andere Ende jedes Stromführungsdrahtes mit der elektrischen Regeleinrichtung des Hitzdrahtes in Verbindung steht. Die Stromzufuhr erfolgt dann nicht mehr über die Endstützpunkte des Hitzdrahtes, sondern über gesonderte, im Sondenring gelagerte Stromführungselemente. Der aktive Bereich des Hitzdrahtes läßt sich hierdurch sehr genau festlegen.
Als zusätzlicher Vorteil ist zu sehen, daß durch die erfindungsgemäße Ausbildung der Vorrichtung ein vollständiges Freibrennen von Ablagerungen während des Freibrennvorganges auf den genau definierten Hitzdrahtlängen gewährleistet ist.
Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der Zeichnung vereinfacht dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigen
Fig. 1 ein Schaltbild einer Vorrichtung zur Messung der Masse eines strömenden Mediums, insbesondere zur Messung der Ansaugluftmasse von Brennkraftmaschinen,
Fig. 2 eine schematische Darstellung eines V-förmig geführten Hitzdrahtes durch drei Stützpunkte,
Fig. 3 eine schlaufenförmige Ausbildung des Hitzdrahtes im Bereich eines mittleren Stützpunktes,
Fig. 4 eine schlaufenförmige Ausbildung eines Hitzdrahtes im Bereich eines Endstützpunktes,
Fig. 5 eine schlaufenförmige Ausbildung eines Hitzdrahtes im Bereich eines Endstützpunktes mit einem gesonderten Stromführungsdraht.
Bei der in Fig. 1 dargestellten Vorrichtung zur Messung der Masse eines strömenden Mediums, inbesondere Messung der Ansaugluft von Brennkraftmaschinen ist eine Brückenschaltung aus einem temperaturabhängigen Widerstand 10, einem temperaturabhängigen Widerstand 11, einem Widerstand 12 und aus Widerständen 13 und 14 vorgesehen. An die Brückendiagonale ist ein Regelverstärker 15 einer Regeleinrichtung 16 angeschlossen. Dabei ist der invertierende Eingang des Regelverstärkers 15 über einen Eingangswiderstand 17 mit dem Kopplungspunkt der Widerstände 11 und 12 verbunden, während der nichtinvertierende Eingang des Regelverstärkers 15 über einen Eingangswiderstand 18 an den Kopplungspunkt der Widerstände 13 und 14 angeschlossen ist. Der Regelverstärker 15 ist über zwei Versorgungsleitungen 19 und 20 mit einer Gleichspannungsquelle 21 verbunden. Dieser Gleichspannungsquelle 21 ist ein Glättungskondensator 22 parallelgeschaltet. Der Ausgang des Regelverstärkers 15 ist mit der Reihenschaltung von zwei Widerständen 23 und 24 verbunden, wobei der Widerstand 24 an die gemeinsame Versorgungsleitung 19 angeschlossen ist. Diese beiden Widerstände 23 und 24 bilden einen Spannungsteiler für eine Darlingtonstufe 25, die zusammen mit einem Widerstand 26 eine spannungsgesteuerte Stromquelle zur Stromversorgung der Brückenschaltung aus den Widerständen 10, 11, 12, 13 und 14 bildet. Zwischen die gemeinsamen Versorgungsleitungen 19 und 20 ist ein Spannungsteiler aus Widerständen 27 und 28 geschaltet. An den Kopplungspunkt der Widerstände 27 und 28 ist die Anode einer Diode 37 angeschlossen, deren Kathode mit dem invertierenden Eingang des Regelverstärkers 15 verbunden ist. Zwischen den invertierenden Eingang des Regelverstärkers 15 und die gemeinsame Versorgungsleitung 20 ist die Reihenschaltung eines Widerstandes 29 und eines Kondensators 30 geschaltet, wobei diese Widerstands-Kondensator-Kombination zur Frequenzabstimmung des Regelkreises auf das Zeitverhalten der temperaturabhängigen Widerstände dient.
Mit dem Kopplungspunkt der Widerstände 13 und 14 ist ein Widerstand 31 verbunden, der über die Schaltstrecke eins Schalttransistors 32 mit der gemeinsamen Versorgungsleitung 20 verbindbar ist. Die Basis des Schalttransistors 32 ist mit dem Ausgang einer monostabilen Kippstufe 33 verbunden, die über ein Differenzierglied 34 von einem bei 35 angedeuteten Zündschalter für die Zündanlage der Brennkraftmaschine auslösbar ist.
Die Wirkungsweise der beschriebenen Vorrichtung ist folgende. Über den temperaturabhängigen Widerstand 11 der Brückenschaltung fließt ein bestimmter Strom und heizt diesen Widerstand 11 auf seine normale Betriebstemperatur auf. In einem anderen Brückenzweig nimmt der temperaturabhängige Widerstand 10 einen Widerstandswert ein, der die Temperatur des strömenden Mediums beispielsweise die der eingesaugten Luft der Brennkraftmaschine charakterisiert. Dadurch wird erreicht, daß als Referenzsignal für die Heizstromregelung der Vorrichtung zur Luftmassenmessung immer die Temperatur der Ansaugluft einer Brennkraftmaschine verwendet wird. Je nach der Masse der vorbeiströmenden Ansaugluft wird der temperaturabhängige Widerstand 11 mehr oder weniger abgekühlt. Dies führt zu einer Verstimmung der Brückenschaltung. Diese Verstimmung der Brückenschaltung wird dadurch ausgeregelt, daß der Regelverstärker über die spannungsgesteuerte Stromquelle 23, 24, 25 und 26 einen höheren Speisestrom für die Brückenschaltung liefert, so daß die Temperatur des temperaturabhängigen Widerstandes 11 und damit dessen Widerstandwert auf einem wenigstens annähernd konstanten Wert gehalten wird. Der durch die Brückenschaltung fließende Strom ist ein Maß für die an dem temperaturabhängigen Widerstand 11 vorbeiströmende Luftmasse. Ein entsprechendes elektrisches Signal kann zwischen einer Klemme 36 und einer Klemme 39 abgenommen werden.
Zur Erleichterung des Anlaufens der Regeleinrichtung dient der Spannungsteiler 27, 28 mit der Diode 37. Beim Einschalten der Regeleinrichtung wird am invertierenden Eingang des Regelverstärkers 15 eine Spannung von etwa 0,5 Volt erzwungen, die ein sicheres Anlaufen der Regeleinrichtung erlaubt. Im normalen Betriebsfall wird dagegen die Spannung am invertierenden Eingang des Regelverstärkers 15 wesentlich über dieser Anfangsspannung liegen, so daß die Diode 37 gesperrt ist und damit über den Spannungsteiler 27, 28 kein Einfluß auf die Regelvorgänge genommen werden kann.
Damit der als Hitzdraht dienende temperaturabhängige Widerstand 11 von Zeit zu Zeit von Ablagerungen auf seiner Oberfläche befreit wird, soll nach einem bestimmten Meßzyklus ein erhöhter Strom über diesen temperaturabhängigen Widerstand 11 fließen. Als Meßzyklus kann dabei beispielsweise jeweils eine bestimmte Betriebsdauer der Brennkraftmaschine gewählt werden. Als besonders zweckmäßig hat es sich erwiesen, den Ausglühvorgang mit jedem Abschalten der Zündanlage der Brennkraftmaschine auszulösen. Dies geschieht beim Ausschalten des Zündschalters 35. Das entsprechende Signal wird differenziert und steuert die monostabile Kippstufe 33 in ihren instabilen Schaltzustand. Während dieses instabilen Schaltzustandes der monostabilen Kippstufe 33 wird der Schalttransistor 32 leitend und schaltet den Widerstand 31 zu dem Widerstand 14 der Brückenschaltung parallel. Dadurch wird die Brückenschaltung aus den Widerständen 10, 11, 12, 13 und 14 stark verstimmt und zwar in dem Sinne, daß der Regelverstärker 15 zur Kompensation dieser Verstimmung einen erhöhten Strom für die Brückenschaltung liefert. Dieser höhere Strom heizt den temperaturabhängigen Widerstand 11 für die Dauer des instabilen Schaltzustandes der monostabilen Kippstufe auf eine über der normalen Betriebstemperatur liegende Temperatur auf, so daß Rückstände an die Oberfläche des temperaturabhängigen Widerstandes verbrennen.
Der Referenzwiderstand 12 ist zweckmäßigerweise ebenfalls in dem durch eine unterbrochene Linie 38 angedeuteten Strömungsquerschnitt, beispielsweise dem Ansaugrohr der Brennkraftmaschine untergebracht, da dann die Verlustwärme des Referenzwiderstandes 12 durch die in Pfeilrichtung strömende Luft abgeführt werden kann. Die Widerstände 13 und 14 sind zweckmäßigerweise als einstellbare Widerstände ausgebildet, dmait das Temperaturverhalten des Regelkreises eingestellt werden kann.
In Fig. 2 ist schematisch ein Sondenring 40 mit drei Stützpunkten 41, 42 und 43 dargestellt. Mit Hilfe der Stützpunkte 41, 42 und 43 ist der Hitzdraht 11 V-förmig ausgespannt. Dabei ist der Hitzdraht 11 mit seinen Enden nur an den beiden Endstützpunkten 41 und 42 befestigt, beispielsweise gelötet oder geschweißt, während er über den Stützpunkt 43 nur lose geführt ist.
Der Sondenring 40 ist mit seinem Wärmeausdehnungskoeffizienten auf den Wärmeausdehnungskoeffizienten des Hitzdrahtes 11 abgestimmt, so daß durch Wärmedehnung bedingte Längenänderungen des Hitzdrahtes 11 bzw. des Sondenringes 40 nahezu keine Zug- oder Druckspannungen in dem Hitzdraht 11 hervorrufen, sondern durch Abstandsänderungen zwischen den Stützpunkten 41, 42, 43 weitgehend ausgeglichen werden.
Die zug- und druckspannungsfreie Einspannung des Hitzdrahtes ist außerordentlich wichtig, wenn der Hitzdraht beispielsweise als Luftmassenmesser im Ansaugrohr einer Brennkraftmaschine verwendet werden soll. Der dabei zu berücksichtigende Temperaturgang beträgt üblicherweise - 30°C bis + 120°C. Hinzu kommt noch eine weitere Temperaturänderung, die durch die Betriebsweise des Hitzdrahtes 11 bedingt ist. Außerdem wird der Hitzdraht noch, wie beschrieben, zum Freibrennen auf eine hohe Temperatur erhitzt, damit an seiner Oberfläche sich festsetzende Rückstände abgebrannt werden können. Auch diese kurzzeitige Erhöhung der Temperatur führt zu Längenänderungen des Drahtes, die bei einer starren Einspannung des Drahtes, zu Zug- und Druckspannungen führen können. Die V-förmige Ausspannung des Hitzdrahtes 11 und die Anpassung der Wärmeausdehnungskoeffizienten des Sondenringes 40 und des Hitzdrahtes 11 verhindern weitgehend die Einleitung von Zug- oder Druckspannungen in den Hitzdraht 11. Zweckmäßigerweise ist der Sondenring 40 bei einem aus Platin bestehenden Hitzdraht 11 aus einer Nickel-Eisen-Legierung hergestellt, deren Wärmeausdehnungskoeffizient etwa dem von Platin entspricht. Es ist auch möglich, den Sondenring aus Glas, insbesondere aus sogenanntem Platin-Glas herzustellen. Auch der Wärmeausdehnungskoeffizient dieses Glases entspricht weitgehend dem des Platindrahtes, so daß weitgehend Zug- oder Druckspannungen bei Temperaturänderungen von dem Hitzdraht 11 abgehalten werden.
Wie in Fig. 2 dargestellt ist, können die Stützpunkte 41, 42, 43 hakenförmig abgebogen sein. Zumindest die Endstützpunkte, die zur Stromzuführung dienen, sind gegenüber dem Sondenring 40 elektrisch isoliert in ihm befestigt. Der mittlere Abschnitt des Hitzdrahtes 11, der um den Stützpunkt 43 geführt ist, bildet dabei eine Schlaufe 44, wobei die sich kreuzenden Drahtabschnitte des Hitzdrahtes 11 bei 45 elektrisch leitend miteinander verbunden sind. Dadurch wird die Schlaufe 44 stromlos und nicht durch Strom erwärmt. Probleme mit einer undefinierten Wärmeabfuhr vom Hitzdraht 11 zum Stützpunkt 43 treten bei Längenänderungen bzw. bei Verschiebungen des Hitzdrahtes 11 an dem Stützpunkt 43 nicht mehr auf. Durch die besondere Aufhängung an dem Stützpunkt 43 ist es auch ohne Bedeutung, wenn der Hitzdraht 11 infolge von Wärmedehnungen geringfügig vom Stützpunkt 43 abhebt, sich in seiner Lage verändert oder sich verdreht.
Besonders zweckmäßig ist es, der Schlaufe 44 für die Anbringung des Hitzdrahtes 11 die in Fig. 3 dargestellte Form zu geben. Gemäß Figur 3 ist der Umschlingungswinkel der Schlaufe 44 kleiner als 180°. Außerdem ist die Form der Schlaufe 44 so gewählt, daß zwischen zwei Anlagepunkten 46 und 47 der Schlaufe 44 an dem Stützpunkt 43 und zwei Punkten 48 und 49, von denen an die Drahtabschnitte der Schlaufe 44 zum Verbindungspunkt 45 hin zusammenlaufen, ein ausreichend großer Abstand besteht, der gewährleistet, daß bei Dehnungen der Schlaufe 44 bzw. des Hitzdrahtes 11 keine mechanischen Spannungen in den Hitzdraht 11 eingeleitet werden, sondern daß vielmehr entsprechend dem mit a eingezeichneten Abstand eine freie Beweglichkeit der Schlaufe 44 auf dem Stützpunkt 43 gewährleistet ist.
Die elektrisch leitende Verbindung der beiden sich kreuzenden Drahtabschnitte erfolgt zweckmäßigerweise durch Schweißen oder Hartlöten.
Wie bereits in Fig. 2 und in Fig. 4 in größerem Maßstab darstellt ist, sind die Drahtenden des Hitzdrahtes 11 ebenfalls als Schlaufen 50, 51 ausgebildet, deren sich kreuzende Drahtabschnitte in den Verbindungspunkten 52, 53 elektrisch leitend, vorzugsweise durch Schweißen oder Löten miteinander verbunden sind und die die zugeordneten Endstützpunkte 41, 42 umschlingen. Die Schlaufen 50, 51 sind bei 54 elektrisch leitend mit den jeweiligen Endstützpunkten 41 bzw. 42 verbunden. Durch die Ausbildung des Hitzdrahtes 11 mit Schlaufen 50, 51 an den Endstützpunkten 41, 42 und der Schlaufe 44 am Stützpunkt 43 ergibt sich der Vorteil, daß zwischen den Verbindungspunkten 52, 45, 53 eine genau definierbare aktive Länge des Hitzdrahtes 11 festgelegt wird, die im mittleren Bereich der Strömung liegt und damit keine Strömungsunregelmäßigkeiten im Wandbereich des Sondenrings 40 erfaßt. Bei bekannten Hitzdraht-Luftmassenmessern ergibt sich einerseits der Nachteil, daß durch einen sich ändernden Wärmeübergang zwischen dem Hitzdraht und den Stützpunkten Meßungenauigkeiten auftreten und andererseits bei einem Freibrennvorgang die Wärmeableitung vom Hitzdraht 11 im Bereich der Stützpunkte so groß ist, daß der Hitzdraht im Bereich dieser Stützpunkte keine ausreichend hohe Temperatur erreicht und somit nicht von Rückständen freigebrannt wird, was für eine einwandfreie Funktion des Luftmassenmessers erforderlich ist. Als weiterer Vorteil der Erfindung ist deshalb anzusehen, daß durch die Ausbildung des aktiven Hitzdrahtes 11 zwischen den Verbindungspunkten 45, 52, 53 die Wärmeableitung vom aktiven Hitzdraht zu den Schlaufen so gering ist, daß die gesamte aktive Hitzdrahtlänge auf die für das Freibrennen erforderliche Temperatur erwärmt wird. Die Schlaufen 50 und 51 erwärmen sich während des Meßvorganges des Hitzdrahtes 11 nicht so stark, wie die aktive Hitzdrahtlänge zwischen den Verbindungspunkten 52, 45, 53, so daß sich auf diesen Schlaufen 50, 51 auch kaum Ablagerungen bilden. Auch wenn während des Freibrennvorganges an den Schlaufen 50, 51 eventuell vorhandene Ablagerungen nicht völlig entfernt werden, ergibt sich hierdurch keine Beeinträchtigung des Meßverhaltens der aktiven Hitzdrahtlänge.
Bei dem in Fig. 5 dargestellten Ausführungsbeispiel der Führung des Hitzdrahtes 11 über Stützpunkte ist der Hitzdraht 11 an den Stützpunkten entsprechend der Darstellung in Fig. 2 jeweils durch Schlaufen geführt. Dabei ist es jedoch nicht erforderlich, daß die Schlaufen an den Endstützpunkten jeweils mit den Endstützpunkten elektrisch leitend verbunden sind. Vielmehr ist an den Verbindungspunkten 52 und 53 der Schlaufen 50, 51 je ein niederohmiger Stromführungsdraht 55, insbesondere aus Edelmetall leitend befestigt, wobei das andere Ende des Stromführungsdrahtes 55 an jeweils einem im Sondenring isoliert befestigten Stromführungselement 56 elektrisch leitend befestigt ist. Entsprechend der Erfindung soll bei diesem Ausführungsbeispiel die Verbindung zur elektrischen Regeleinrichtung 16 über die Stromführungselemente 56 und die Stromführungsdrähte 55 zur aktiven Hitzdrahtlänge 11 erfolgen, so daß wie bei dem Ausführungsbeispiel nach Fig. 2 eine Wärmeableitung von den Schlaufen zu den Stützpunkten keinen Einfluß auf das Meßergebnis hat und die gesamte aktive Hitzdrahtlänge 11 während des Freibrennvorganges auf einer ausreichend hohen Temperatur gehalten werden kann, bei der alle Ablagerungen von der aktiven Hitzdrahtlänge 11 beseitigt werden.

Claims

1. Vorrichtung zur Messung der Masse eines strömenden Mediums, insbesondere zur Messung der Ansaugluftmasse von Brennkraftmaschinen, mit mindestens einem in der Strömung des Mediums angeordneten temperaturabhängigen Widerstand, dessen Temperatur und/oder Widerstand in Abhängigkeit von der strömenden Masse geregelt wird und die Stellgröße ein Maß für die Masse des strömenden Mediums ist, wobei der temperaturabhängige, als Hitzdraht ausgebildete Widerstand von einem zum anderen Drahtende über wenigstens drei in einem Sondenring gelagerte Stützpunkte geführt ist und die Führung mindestens an einem zwischen den den Drahtenden zugeordneten Endstützpunkten befindlichen Stützpunkt durch eine den Stützpunkt umgreifende Schlaufe des Hitzdrahtes erfolgt, deren sich kreuzende Drahtabschnitte elektrisch leitend miteinander verbunden sind, dadurch gekennzeichnet, daß die Drahtenden des Hitzdrahtes (11) ebenfalls als den jeweiligen Endstützpunkt (40, 42) umgreifende Schlaufen (50, 51) ausgebildet sind, deren sich kreuzende Drahtabschnitte elektrisch leitend miteinander verbunden sind.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Schlaufen (50, 57) mit den Endstützpunkten (41, 42) verschweißt oder verlötet sind.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß an jedem der Verbindungspunkte (52, 53) der sich kreuzenden Drahtabschnitte der Schlaufen (50, 51) an den Hitzdrahtenden ein niederohmiger Stromführungsdraht (55), insbesondere aus Edelmetall, elektrisch leitend befestigt ist und daß über das andere Ende jedes Stromführungsdrahtes (55) die elektrische Verbindung des Hitzdrahtes (11) hergestellt wird.

4. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die dem Hitzdraht (11) abgewandten Enden der Stromführungsdrähte (55) mit gegenüber den Stützpunkten (41, 42, 43) des Hitzdrahtes (11) elektrisch isolierten, insbesondere ebenfalls im Sondenring (40) gelagerten Stromführungselementen (56) in Verbindung stehen.